ซิลิคอนไนไตรด์โดดเด่นอย่างแท้จริงเมื่อต้องเผชิญกับสถานการณ์ที่มีแรงกดดันสูง เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกลที่น่าประทับใจมาก เช่น ความเหนียวในการแตกร้าว (fracture toughness) ซึ่งมีค่าประมาณ 6 ถึง 8 เมกะปาสกาลรูทเมตร ซึ่งดีกว่าเซรามิกอลูมินาประมาณสามเท่า ตามข้อมูลจาก ScienceDirect เมื่อปีที่แล้ว สิ่งที่ทำให้วัสดุนี้ทนทานมากคือโครงสร้างผลึกในเฟสเบต้า ซึ่งเม็ดผลึกยาวจับยึดกันเหมือนชิ้นส่วนจิ๊กซอว์ ทำให้รอยแตกขนาดเล็กยากต่อการขยายตัวผ่านวัสดุเมื่อถูกโหลดซ้ำๆ
ความแข็งแรงต่อการงอของวัสดุสูงถึง 1,000 เมกะปาสกาล ซึ่งสูงกว่าเซอร์โคเนีย (650 เมกะปาสกาล) และซิลิคอนคาร์ไบด์ (550 เมกะปาสกาล) โดยซิลิคอนไนไตรด์ยังคงความแข็งแรงไว้ได้ 85% ของค่าที่อุณหภูมิห้องที่ 800°C ซึ่งแสดงให้เห็นจากผลการจำลองความเครียดจากความร้อน
ความเหนียวพิเศษนี้เกิดจากสามปัจจัยหลัก:
เทคนิคการเผาแน่นขั้นสูงสร้างแมทริกซ์ที่มีเม็ดผลึกขนาดเล็ก (1–3 ไมครอน) ซึ่งถูกเสริมด้วยผลึกเฟสเบต้าขนาดใหญ่กว่า โครงสร้างที่ 'เสริมแรงในตัวเอง' นี้ช่วยปรับการกระจายแรงให้ดีขึ้น ทำให้แบริ่งเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์สามารถทนต่อแรงสัมผัสเฮอร์เทซian ได้สูงกว่าเหล็กถึง 20% ในแอปพลิเคชันเทอร์ไบน์
แบริ่งไนไตรด์ซิลิคอนแสดงความต้านทานต่อการเหนี่ยวนำความล้าจากการหมุน (RCF) ได้อย่างยอดเยี่ยม โดยยังคงความแข็งแรงแม้อยู่ภายใต้แรงกระทำแบบไซเคิลที่เกิน 4 GPa การศึกษาปี 2024 ที่ตีพิมพ์ใน Surface and Coatings Technology เปิดเผยว่า โครงสร้างทางเคมีของขอบเกรนในไนไตรด์ซิลิคอนช่วยลดการเริ่มต้นแตกร้าวใต้ผิวลงได้ถึง 40% เมื่อเทียบกับแบริ่งเหล็ก แม้ในสภาพแวดล้อมของกังหันที่มีแรงโหลดสูง พฤติกรรมนี้เกิดจากพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอม ซึ่งสามารถกระจายพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพระหว่างรอบการรับแรง
การทดลองร่วมกับพันธมิตรในอุตสาหกรรมการบินและอุตสาหกรรมทั่วไปแสดงให้เห็นถึงอายุการใช้งานของแบริ่งที่เพิ่มขึ้น 60% เมื่อใช้ดีไซน์แบบไฮบริดจากซิลิคอนไนไตรด์ แบริ่งเหล่านี้สามารถทนต่อรอบการรับแรงโหลดมากกว่า 500,000 รอบในการจำลองการทำงานของเครื่องยนต์เจ็ทโดยไม่มีการสึกหรอที่วัดได้ ซึ่งดีกว่าแบริ่งเหล็กทั่วไปถึง 3 เท่า ข้อมูลจากการใช้งานจริงยืนยันว่าความถี่ในการบำรุงรักษาน้อยลง โดยเฉพาะภายใต้แรงรัศมีที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา
โครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอของซิลิคอนไนไตรด์ช่วยลดจุดรวมความเค้น ทำให้จำนวนครั้งของการเกิดสปอลลิ่งลดลง 75% เมื่อเทียบกับเซรามิกส์ที่ใช้เซอร์โคเนีย การเสียหายจึงเปลี่ยนจากภาวะแตกหักทันทีไปเป็นการสึกหรออย่างค่อยเป็นค่อยไป ซึ่งช่วยให้สามารถดำเนินการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ได้ ผลการทดสอบด้วยเครื่องวัดลักษณะผิว (Surface profilometry) แสดงให้เห็นว่ามีการสูญเสียวัสดุน้อยลง 85% หลังจากใช้งาน 1,000 ชั่วโมงในสภาวะที่มีการกัดกร่อน
ด้วยค่าความแข็งแบบวิกเกอร์สประมาณ 15 กิกะพาสกาล—ซึ่งเกือบสองเท่าของเหล็กที่ผ่านการอบแข็ง—เซรามิกไนไตรด์สามารถต้านทานการสึกหรอแบบยึดติดและการสึกหรอแบบกัดกร่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในระหว่างการทดสอบการทำงานโดยไม่ใช้น้ำมันหล่อลื่นที่อุณหภูมิ 400°C อัตราการสึกหรอยังคงต่ำกว่า 0.02 ลูกบาศก์มิลลิเมตรต่อหนึ่งนิวตัน-เมตร ทำให้วัสดุนี้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ไม่ต้องการน้ำมัน การถ่วงดุลระหว่างความแข็งและความเหนียวช่วยให้มั่นใจได้ถึงสมรรถนะที่เชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมที่มีสิ่งปนเปื้อน ซึ่งแบริ่งเหล็กมักประสบปัญหาการแตกร้าวเป็นหลุม (pitting)
ความหนาแน่นต่ำของซิลิคอนไนไตรด์ที่ประมาณ 3.2 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ช่วยลดแรงเหวี่ยงได้มากถึง 60 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับเหล็กที่มีน้ำหนัก 7.8 กรัม/ซม.³ สิ่งนี้ทำให้ชิ้นส่วนสามารถทำงานได้อย่างราบรื่นแม้จะหมุนด้วยความเร็วเกินกว่า 1.5 ล้านหน่วย DN (เส้นผ่านศูนย์กลางคูณด้วยจำนวนรอบต่อนาที) ประโยชน์นี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในสิ่งต่างๆ เช่น เพลาเทอร์ไบน์เครื่องบิน และเพลามอเตอร์ขนาดเล็กแต่มีความสำคัญในอุปกรณ์ทางการแพทย์ แบริ่งเหล็กมักจะเสียหายเร็วกว่าเพราะไม่สามารถทนต่อแรงเฉื่อยที่เกิดขึ้นต่อเนื่องได้เป็นเวลานาน งานวิจัยจากนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุแสดงให้เห็นว่า ความเค้นที่ลดลงนี้สามารถยืดระยะเวลาการบำรุงรักษาได้เพิ่มขึ้นระหว่าง 12 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์สำหรับเทอร์โบชาร์เจอุตสาหกรรม จึงไม่แปลกใจเลยว่าทำไมผู้ผลิตจำนวนมากจึงเปลี่ยนมาใช้วัสดุชนิดนี้ในปัจจุบัน
| วัสดุ | ความหนาแน่น (g/cm3) | แรงเหวี่ยงที่ 50,000 รอบต่อนาที | การสร้างความร้อน |
|---|---|---|---|
| ซิลิคอนไนไนด์ | 3.2 | 220 MPa | เพิ่มขึ้น 35°C |
| เหล็ก | 7.8 | 580 MPa | เพิ่มขึ้น 82°C |
อัตราส่วนความหนาแน่น 3.4:1 ช่วยให้ชุดแบริ่งมีน้ำหนักเบากว่าโดยไม่ลดทอนความสามารถในการรับแรง – ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริดของฟอร์มูล่าวัน โดยทีมงานสามารถเร่งความเร็วได้เร็วขึ้นถึง 11% จากการลดมวล
แบริ่งไนไตรด์เซรามิกสามารถหมุนได้เร็วกว่าแบริ่งเหล็กประมาณ 25 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ในกังหันก๊าซ เนื่องจากมีแรงเฉื่อยต่ำกว่า ผู้ประกอบการกังหันลมยังพบว่ามีการสูญเสียพลังงานลดลงประมาณ 6 ถึง 9 เปอร์เซ็นต์ในเพลาหลักด้วยเช่นกัน โดยอ้างอิงตัวเลขจากองค์การระหว่างประเทศว่าด้วยพลังงานหมุนเวียน (IRENA) เมื่อปี 2023 อุตสาหกรรมการผลิตเองก็ให้ความสนใจเช่นกัน บริษัทผู้ผลิตเครื่องมือความแม่นยำ เช่น Tsugami และ Okuma พบว่าเมื่อเปลี่ยนมาใช้แบริ่งเซรามิกในระบบไดรฟ์แกนหมุน ระยะเวลาการทำงานลดลงประมาณ 15% ในศูนย์กลึง CNC ความเร็วสูง ความก้าวหน้าเหล่านี้กำลังเริ่มเปลี่ยนแปลงขีดจำกัดของสิ่งที่เป็นไปได้ในงานประยุกต์ด้านอุตสาหกรรม
ค่า DN: มาตรฐานอุตสาหกรรมที่กำหนดโดย DN = เส้นผ่านศูนย์กลางรูเพลาของแบริ่ง (มม.) × ความเร็วการหมุน (รอบต่อนาที)
ซิลิคอนไนไตรด์มีความทนทานอย่างมากเมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 1000 องศาเซลเซียส ซึ่งดีกว่าเหล็กทั่วไปมาก เนื่องจากเหล็กเริ่มบิดงอและเสียรูปที่ประมาณ 400 องศาเท่านั้น สิ่งที่ทำให้วัสดุนี้แข็งแกร่งคือพันธะเคมีที่แข็งแรงมากระหว่างอะตอม รวมถึงโครงสร้างภายในที่แน่นหนา คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้มันทำงานได้อย่างเชื่อถือได้แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง เช่น ภายในเตาหลอมในโรงงาน หรือชิ้นส่วนของเครื่องยนต์เจ็ท ซึ่งวัสดุอื่นๆ มักจะล้มเหลว งานวิจัยจากวารสารวิศวกรรมศาสตร์ไอน์ชัมส์เมื่อปีที่แล้วยังเปิดเผยว่าสิ่งที่น่าสนใจอีกด้วย กล่าวคือ หลังจากที่วัสดุเซรามิกชนิดนี้ถูกทิ้งไว้เป็นเวลา 500 ชั่วโมงต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูงถึง 1000 องศา ยังคงรักษากว่า 90% ของความแข็งแรงเดิมในการดัดโค้งไว้ได้ ความทนทานในระดับนี้พิสูจน์ให้เห็นว่า วัสดุดังกล่าวสามารถทนต่อความเครียดจากความร้อนอย่างรุนแรงโดยไม่เสื่อมสภาพตามกาลเวลา
คุณสมบัติความร้อนเหล่านี้ทำให้ซิลิคอนไนไตรด์มีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนเครื่องยนต์เจ็ทที่ทำงานต่อเนื่องที่อุณหภูมิเกิน 800°C ในงานกลึงความเร็วสูง วัสดุนี้ช่วยลดการบิดเบี้ยวของแกนหมุนจากความร้อนลงได้ 40–60% เมื่อเทียบกับเหล็กกล้า จึงรองรับการควบคุมความคลาดเคลื่อนที่แน่นหนากว่าในงานแปรรูปโลหะความแม่นยำสูง
ในฐานะวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ ซิลิคอนไนไตรด์ทนต่อการกัดกร่อนแบบกาลวานิกในน้ำเค็ม สภาพแวดล้อมที่มีความเป็นกรดและด่าง มันสามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ในปั๊มเคมีและอุปกรณ์ทางทะเลโดยไม่ต้องใช้น้ำมันหล่อลื่น ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาได้สูงสุดถึง 70% ในกังหันลมนอกชายฝั่งและระบบผลิตน้ำจืด
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนของซิลิคอนไนไตรด์ (3.2 × 10⁶/°C) สอดคล้องกับสแตนเลสสตีล (17 × 10⁶/°C) อย่างใกล้ชิด ช่วยลดความเครียดที่ผิวสัมผัสระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว ความเข้ากันได้นี้ช่วยป้องกันการคลายตัวในเทอร์โบชาร์จเจอร์สำหรับยานยนต์ที่ต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ
เมื่อพูดถึงวิทยาศาสตร์วัสดุ ซิลิคอนไนไตรด์มีข้อได้เปรียบกว่าเหล็กทั่วไปในหลายด้านสำคัญ และแก้ปัญหามากมายที่เซรามิกแบบดั้งเดิมเคยมี วัสดุนี้ยังเบากว่ามาก โดยมีน้ำหนักประมาณ 3.2 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร เมื่อเทียบกับเหล็กที่มีน้ำหนักถึง 7.8 กรัม ทำให้ตลับลูกปืนเซรามิกเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องจักรความเร็วสูง เนื่องจากช่วยลดแรงเหวี่ยงลงได้ประมาณสองในสาม สิ่งที่ดีกว่านั้นคือ ชิ้นส่วนเซรามิกเหล่านี้ยังคงทำงานได้ตามปกติที่อุณหภูมิสูงใกล้เคียง 1,000 องศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าจุดที่เหล็กเริ่มเสื่อมสภาพที่ประมาณ 300 องศาเซลเซียส ยิ่งไปกว่านั้น ในแง่ของความทนทานต่อการเกิดรอยแตก เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์รุ่นใหม่สามารถเทียบเท่ากับโลหะผสมเหล็กคุณภาพสูงบางชนิดได้เลยทีเดียว และจากการวิจัยล่าสุดของผู้เชี่ยวชาญด้านไทริโบรโลยีที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้ว ระบุว่าเครื่องจักรที่ใช้วัสดุเซรามิกขั้นสูงเหล่านี้มีอายุการใช้งานยาวนานเกือบสามเท่าของเดิมในระหว่างรอบการทำงานอย่างต่อเนื่อง
แม้ว่าแบริ่งไนไตรด์เซรามิกจะมีต้นทุนเริ่มต้นสูงกว่า 30–50% แต่อายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า 3–5 เท่าในสภาวะแวดล้อมที่รุนแรง ทำให้ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาตลอดอายุการใช้งานลดลง 40% การวิเคราะห์ภาคการผลิตในปี 2024 พบว่าโรงงานผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์สามารถลดเวลาหยุดทำงานจากการเปลี่ยนแบริ่งประจำปีได้ 120 ชั่วโมง หลังเปลี่ยนมาใช้ดีไซน์แบริ่งเซรามิกแบบผสม และคืนทุนการลงทุนภายใน 18 เดือน
ขอบเขตใหม่ๆ ได้แก่ เครื่องอัดอากาศสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน และล้อปฏิกิริยาสำหรับดาวเทียม ซึ่งฉนวนกันไฟฟ้าและความเข้ากันได้กับสภาพสุญญากาศมีความสำคัญอย่างยิ่ง รายงานพยากรณ์ล่าสุดด้านวิศวกรรมความแม่นยำคาดการณ์ว่าตลาดเฉพาะทางเหล่านี้จะเติบโตขึ้นปีละ 25% จนถึงปี 2030
ผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้ากำลังนำลูกปืนเซรามิกไนไตรด์ซิลิคอนไปใช้ในเพลาของมอเตอร์ขับเคลื่อนระบบ 800V โดยอาศัยคุณสมบัติที่ไม่เป็นแม่เหล็กเพื่อลดการรบกวนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ผู้ผลิตกังหันลมรายงานว่าได้รับประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 12% ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบไดรเว็คตรงที่ใช้ลูกปืนเซรามิกที่ไม่ต้องหล่อลื่นและทนต่อการกัดกร่อนจากน้ำเค็ม
กระบวนการเผาด้วยแรงดันก๊าซขั้นสูงสามารถทำให้ชิ้นส่วนระดับการผลิตมีความหนาแน่นสูงถึง 99.5% ของทฤษฎี ลดความจำเป็นในการแปรรูปต่อเนื่องลง 35% ความก้าวหน้าเหล่านี้ช่วยแก้ไขปัญหาความไม่สม่ำเสมอในอดีต และสนับสนุนการผลิตในระดับใหญ่ที่แต่เดิมจำกัดเฉพาะลูกปืนเหล็กเท่านั้น
EN
